摘要：
本方簡單的論述了材料拉力試驗機數(shù)據(jù)采集的發(fā)展歷程，介紹了當今數(shù)據(jù)采集的兩個不同方向。詳細分析了分檔處理與不分檔處理的優(yōu)點和缺點，各自的*使用場合，以指導廣大客戶正確選型。
關鍵詞：材料拉力試驗機隨著社會的進步，科學技術的高速發(fā)展，各類新材料層出不窮，原有材料的性能也有了質(zhì)的飛躍。如何合理、安全、的應用材料，其力學性能的檢驗是一項非常重要的工作。在這一大環(huán)境的推動下，近年來材料試驗機行業(yè)也有了長足的發(fā)展。各種新技術、新方案被大量的應用在試驗機領域，因而試驗機的性能有了非常大的提高，使用領域也較過去有了非常大的拓展。但它依然是一個綜合水平與專業(yè)素質(zhì)要求都非常高的行業(yè)，許多專業(yè)知識非行業(yè)內(nèi)專業(yè)人士是不易理解的。因此造成了目前這一行業(yè)內(nèi)許多值得商榷的說法。其中之一就是：不分檔的試驗機和分檔試驗機孰優(yōu)孰劣？
試驗機從試驗數(shù)據(jù)的讀取這一環(huán)節(jié)看，大約經(jīng)歷了指針度盤指示及數(shù)字量直接顯示兩個階段。在前一個階段中，輸出量為模擬信號，幾乎只能采用分檔的方法擴展量程。在后一個階段中，由于采用了A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)換成了數(shù)字量進行數(shù)據(jù)處理，這就為擴展量程提供了一個簡單的方法，只要選用高位A/D即可實現(xiàn)寬量程測量，但在這一階段的早期要得到高位A/D是很困難的事情，所以依然采用分檔的方法擴展量程。然而近年來隨著電子技術的發(fā)展，新型高位A/D技術獲得重大突破，20位、24位A/D轉(zhuǎn)換器已較易取得，隨之市面上出現(xiàn)了不分檔、寬量程測量的試驗機。也許為了商業(yè)利益，多推銷自己的產(chǎn)品，有人就以分檔測量出現(xiàn)的早為依據(jù)，推斷出分檔測量是落后的觀點。評價一件事情的好壞要看它的綜合指標及使用環(huán)境，而不能單一的用出現(xiàn)的早晚來評定。*，電子管是zui古老的電子器件，大約有一百多年的歷史了，而在大規(guī)模集成電路大行其道的今天，在音響中，依然在使用電子管。成然，A/D轉(zhuǎn)換器在今天的數(shù)據(jù)測控系統(tǒng)中扮演著重要的角色，但并不是*的角色。一個系統(tǒng)的優(yōu)劣是由眾多環(huán)節(jié)構(gòu)成，如傳感器、放大器、工作電源、A/D轉(zhuǎn)換器、計算機等，每一環(huán)節(jié)都會對zui終的結(jié)果產(chǎn)生影響。評價一臺試驗機的好壞有很多的技術指標，其中是否分檔只是其眾多指標中的一個。即使就分檔與否這一指標來看，也不能輕易得出一個明確的答案。它隨著試驗機的類型、試驗方法、試驗環(huán)境等的不同而不同。下面從試驗機使用者的角度，對兩者進行分析。
一、分檔可以得到較寬的測量范圍。
以采用13位A/D進行七檔量程切換的情況及采用18位A/D不分檔的情況進行分析。在試驗機上一般的分檔是按照滿量程的100%、50%、20%、10%、5%、2%、1%進行分檔的。對于采用13位A/D的試驗機，各檔的分辨率都為各檔滿值的±1/4095（拉、壓雙向各等分為4095份），以0.5級精度的試驗機為例，按照標準規(guī)定，其zui小的有效測量起始點的采樣碼應達到400碼，即約為各檔滿值的10%，按照以上原則采用分檔的試驗機其zui小檔的有效測量值為1%×10%=0.1%，而且各檔間的重疊又都大于各檔滿值的10%，所以總有效測量區(qū)間可達0.1%-100%。而對于18位A/D不分檔的情況，其分辨率為滿值的±1/131072，按照zui小有效測量點的采樣碼應達400碼的要求，其zui小點為滿值的（400/131072） ×100%=0.3%。
二、分檔可以降低小信號的測量的誤差。
這樣正好符合試驗機相對精度定義的需求。*，在試驗機中試驗數(shù)據(jù)都來自于各種傳感器，而目前的傳感器基本上都是模擬傳感器，且輸出信號都很微弱，這種信號必須經(jīng)過放大器放大后才能交由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進行后期處理。分檔的本質(zhì)就是將代表不同量程的傳感器輸出信號（當然輸出值也不相同）按照不同的放大倍數(shù)放大到一個統(tǒng)一的定值，再用這統(tǒng)一的定值表示不同的量程。以載荷為例：如果一支載荷傳感器它的滿值輸出為20mV，放大125倍后變?yōu)?.5V的A/D轉(zhuǎn)換器的滿值輸入，則2.5V就代表了載荷量程為滿量程，若將放大倍數(shù)增大10位變?yōu)?250倍，則當傳感器受力為滿值的1/10，即輸出為2 mV時，放大器的輸出依然達到了2.5V的A/D轉(zhuǎn)換器的滿值輸入，此時載荷量程即為滿量程的1/10。由于放大器、傳感器的工作電源等是由各類電子元器件組成，它們不可避免的存在著各類失調(diào)與飄移，當電路確定后，這些失調(diào)與飄移也就隨之而定，它們基本不隨放大倍數(shù)的改變而改變。也就是說，放大器的滿值輸出2.5V是由兩部分組成，一部分是真實的反映實際測量的值，另一部分是一個基本恒定的固有值。當選擇小檔位時，這一固有值所對應的測量值就會按分檔比例相應的比例減小。例如：當2.5V對應100N時，0.1V的固有失調(diào)、飄移就會產(chǎn)生100×（0.1/2.5）=4N的誤差，但若選擇1/10檔位，即2.5V對應10N時，0.1V的固有失調(diào)、飄移只會產(chǎn)生10×（0.1/2.5）=0.4N的誤差。如果不分檔，則無論測量的數(shù)據(jù)值是大還是小，這一固有的誤差都不變，都是100×（0.1/2.5）=4N，因此對測量小信號不利。
由于試驗機的精度要求為相對精度，這種精度對不同測量值下的允許誤差是不一樣的，測量值大時的允許誤差值大，測量值小時允許誤差值小。例如：同為0.5級的載荷值，當測量值為100N時，誤差值為100×0.5%=0.5N，當測量值為10N時，誤差值為10×0.5%=0.05N，分檔時的特點正好與此要求相一致。
三、分檔可以降低對傳感器的要求，提高整機的精度與可靠性。
由于任何傳感器都不可能達到理想狀態(tài)，所以必然存在各種誤差，其中zui關鍵的指標之一就是線性度誤差。為了消除這一誤差對測量結(jié)果的影響，zui可行的方法就是線性修正，而分檔本身先天就具有這一功能。不分檔雖然也可人為實現(xiàn)這一功能，但由于標準沒有具體的說明不分檔的標定需進行多少點，因此，一般在實際修正時取的點遠少于分檔標定點的總數(shù)（以七檔為例：分檔zui少需取樣7×5=35點），所以實際不分檔小信號精度較差。
四、分檔容易實現(xiàn)高速采樣。
在一些特殊用途的試驗機上這是很重要的。常見的試驗機一般的采樣速度都不要求很高，大約在每秒幾十次到幾百次的范圍內(nèi)，然而在一些特殊用途的場合，如碰撞類試驗、沖擊試驗、脆性材料的試驗等，要求的采樣速率很高，可達每秒幾千次至幾兆次。由于分檔類試驗機一般選擇較低位數(shù)的A/D，而這一類A/D的種類zui多，選擇面zui廣，有一類并行轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的A/D，非常適合這一場合。對于不分檔類試驗機，由于采用高位A/D，而這類A/D基本都采用∑-△型轉(zhuǎn)換器，這類轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率較低，且當增大轉(zhuǎn)換速率時會明顯的降低轉(zhuǎn)換精度。
五、分檔會引起全量程內(nèi)的分辨率不一致。
這粗看好象是一個問題，但在第二項中已經(jīng)談了，對試驗機而言，國標的規(guī)定為相對精度，它本身就需要小檔位的分辨率高，而大檔位的分辨率低，所以對于絕大多數(shù)的使用而言不是問題。例如：稱量一汽車煤炭，并不需要稱量到幾噸零幾克的值，而稱量黃金則必須達到千分之幾克。
六、不分檔時A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率與試驗機標準中的分辨力（可理解為分辨zui小值的能力，不是單指力值的分辨率，對位移、變形同樣叫分辨力）一般不吻合。
目前在國內(nèi)試驗機市場正在炒作一個偽概念。有人說：“試驗機分辨率可以達到不分檔20萬碼、30萬碼甚至更高”。其實這是一種偷換概念的說法。這是把A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率當成了試驗機的分辨力。在試驗機中并無“分辨率”名稱，有的是“分辨力”的提法。在采用低位A/D時，A/D的分辨率與試驗機中定義的分辨力是相吻合的，但在高位A/D中這兩者并不一致。一個24位的A/D轉(zhuǎn)換器它的分辨率可以達到±223=8388608碼，如果將2.5V滿量程用它來等分，則每一等分的電壓值為2.5/（223）=0.298μV。但在現(xiàn)實中各種噪聲電壓的量級基本都在幾μV到幾十μV的范圍。另外，傳感器、電子元件等的失調(diào)、飄移也都在這一范圍內(nèi)。一般情況下，24位A/D轉(zhuǎn)換器并不能真正的分辨出1/8388608的有效信號。但在一些特殊的情況下，比如測量非常緩慢變化的信號，這時可以采用濾波截止頻率非常低的多級低通濾波器，充分濾除噪聲信號并將轉(zhuǎn)換速度降到非常低時是有可能的，但試驗機并不能工作在這種狀態(tài)下。筆者經(jīng)過多年的試驗，在常規(guī)狀態(tài)下不分檔的有效分辨力一般很難超過20萬碼。
七、分檔使用比較麻煩，容易造成試樣的損環(huán)。
由于分檔機型存在一個正確選擇檔位的問題，如果試驗人員對材料的性能了解不深，試驗經(jīng)驗不足，則不能夠確定*的試驗檔位，這樣就有可能對試驗結(jié)果產(chǎn)生不良影響甚至損壞試樣。比如：有一試樣它的負載力值很小，但由于試驗人員不清楚這一特性，而選用了較大力值檔位，這樣測試結(jié)果精度就會很低。反之，試樣負載力值很大但卻選擇了小檔位，將會導致整個試驗無法全部完成，試驗失敗。這在新材料的研究中是比較容易發(fā)生的情況。不過，近年來由于計算機在試驗中的應用，這一現(xiàn)象已經(jīng)得到了基本解決，雖然依舊采用分檔技術，但換檔已實現(xiàn)了自動化處理，分檔的這一弊端已不存在。
八、分檔在參與控制時會產(chǎn)生很多的問題，導致機器使用困難。
當前由于材料的多樣化，所需的試驗方法也越來越多，對試驗機控制方式的要求也越來越多。比如：高分子類材料需要試驗機為速度控制，建材類需要載荷控制，金屬類材料需要載荷或變形控制，建筑構(gòu)件可能需要加速度控制等等。從自動控制理論得知，一個閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部的任一個環(huán)節(jié)，參數(shù)生了變化，都將引起整個閉環(huán)系統(tǒng)的工作狀態(tài)發(fā)生變化，導致系統(tǒng)不能正常工作。為了使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作就需及時調(diào)整一些控制參數(shù)（通常為P.I.D參數(shù)）。換檔就是改變閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部放大器的放大倍數(shù)，也必然導致整個系統(tǒng)工作狀態(tài)發(fā)生變化。也就是說換檔后要及時將P.I.D參數(shù)切換到與當前檔位相適應的值。但問題是，這個參數(shù)值除與檔位有關外，還與試樣有關，而試樣是千變?nèi)f化，各不相同的，因此并不能事先確定它的具體量值；另外，在換檔時還會產(chǎn)生控制波動，對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。過去由于無法取得高位A/D，數(shù)據(jù)的采集是zui主要的矛盾， 所以在多閉環(huán)試驗機上依然采用分檔。但一般也只有分為三檔，并且使用非常麻煩。現(xiàn)在，高位A/D的問題已經(jīng)解決，使用的方便就成了*要考慮的問題，所以，現(xiàn)在一般在多閉環(huán)類試驗機上，基本都采用不分檔技術。
結(jié)論：綜合上述的對比分析，分檔與不分檔各有特色，不能一概而論誰好誰壞，要看使用環(huán)境與使用方式，揚長避短，才是的。
一般來說，對于手動控制類型的試驗機，因無閉環(huán)自動控制，采用分檔測量，可提高測量精度。對于單一閉環(huán)控制，但控制參數(shù)又不是主要測量參數(shù)類型的試驗機，如常規(guī)電子（單一的速度控制），測量參數(shù)宜采用分檔類型，以提高測量精度。對于測量參數(shù)與控制參數(shù)重合的試驗，如電液伺服類、多閉環(huán)電子類試驗機，系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是首要考慮的問題，宜采用不分檔類型。
參考資料：
GB/T 228-2002 金屬材料室溫拉伸試驗方法
GB/T16491-1996 電子式試驗機
GB/T 16825-1997 拉力試驗機的檢驗
JJG 139-1995 拉力、壓力和試驗機檢定規(guī)程
JJG 425-1986 電子式試驗檢定規(guī)程
OIML 65 單軸材料試驗機測力系統(tǒng) （1998.06.30法制計量組織技術委員會）
<<新型集成電路>> 西安電子科技大學出版社 1998
<<高性能模數(shù)與數(shù)模器件>> 西安電子科技大學出版社 2000
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